Strömungssimulation verkürzt die Entwicklung eines Ventil-Prototyps von drei Monaten auf einen Tag

August 2007

Shaw Aero Devices, Inc., Naples, Florida, ein Hersteller von Ventilen für die Luftfahrt, hat bei der Entwicklung einer optimierten Lösung mit Hilfe von Prototypen verschiedener Varianten durch den Einsatz von FloEFD, der Software von Flomerics zur Strömungssimulation (CFD), mindestens 9000 US$ und drei Monate Entwicklungszeit eingespart. Die Ergebnisse der CFD-Simulationen mit den verschiedenen Varianten lieferten wertvolle Erkenntnisse dazu, wie die Konzepte weiter verbessert werden konnten. Rob Preble, Projektingenieur bei Shaw gelang es, eine Konstruktion zu entwickeln, die die Vorgaben zum Druckverlust erfüllt, ohne auch nur einen einzigen Prototypen bauen zu müssen. „Die CFD-Simulation hat den Zeitaufwand zur Erfüllung der anspruchsvollen Spezifikation unseres Kunden erheblich reduziert." erläutert Preble. „Mit ihrer Hilfe konnten wir in nur einem Tag einen brauchbaren Software-Prototyp realisieren."

Shaw Aero Devices entwickelt, konstruiert und produziert eine Vielzahl verschiedener Produkte im Bereich Systeme und Komponenten für Kraftstoff, Öl und Wasser/Abfallsysteme. Der Kunde von Shaw war an einer großen Lieferung eines Magnetventils für den Einsatz in einem unbemannten Luftfahrzeug (UAV) interessiert. Dieses Ventil entsprach weitgehend einem Standardprodukt des Unternehmens. Der Kunde verlangte jedoch einen Druckabfall von 0,05 bar bei einer Durchflussrate von 17 Liter/Minute, während dieser Wert beim Standardventil von Shaw 0,42 bar beträgt. In der Vergangenheit hätte hierzu eine Reihe verschiedener Prototypen gebaut und getestet werden müssen, um die geforderten Vorgaben zu erreichen, wobei der Erfolg nicht immer garantiert war.

Preble simulierte stattdessen die Strömung im ursprünglichen Standardprodukt. Dank FloEFD konnte der Zeitbedarf zur Simulation der Strömung durch eine Analyse des Modells und die automatische Unterteilung in feste und flüssige Bereiche deutlich verringert werden. Anschließend führte Preble an der ursprünglichen Konstruktion eine Reihe von Simulationen bei verschiedenen Durchflussraten von 3,8 bis 19 Liter/Minute durch, und die Simulationen lieferten Vorhersagen des Druckabfalls mit einem maximalen Fehler von 10% an den einzelnen Punkten. Daraufhin erzeugt Preble eine Reihe von Varianten, bei denen er schrittweise Änderungen vornahm, um den Druckverlust, abhängig von den Ergebnissen der Strömungsanalyse im vorhergehenden Schritt, weiter zu verringern.

So stellte Preble bei der Betrachtung des Druckgradienten im Querschnitt bei der ersten Version fest, dass der gewinkelte Ventilsitz einen erheblichen Teil des Druckabfalls verursachte. Um dieses Problem anzugehen, stattete er das Modell des neuen Ventils unterhalb des Ventiltellers mit einer größeren Öffnung aus und entfernte den gewinkelten Ventilsitz völlig. Die folgende Simulation zeigte, dass sich der Druckabfall dadurch erheblich verringerte und nur noch 0,08 bar betrug. Das war jedoch immer noch zu viel. Weitere Änderungen an der Konstruktion führten schließlich dazu, dass der Druckverlust über das Ventil auf akzeptable 0,05 bar verringert werden konnte.

„Wir hatten volles Vertrauen in die Ergebnisse der Simulation, weil FloEFD bei der ursprünglichen Konstruktion eine derart genaue Simulation geliefert hatte", erläutert Preble. „Ohne CFD hätten wir uns das alles nur mühsam erarbeiten können. Wir hätten mindestens drei Prototypen benötigt, wahrscheinlich sogar mehr. Jeder einzelne Prototyp hätte 3000 US$ gekostet und es hätte einen Monat gedauert, ihn zu konstruieren, zu bauen und zu testen. Wir haben die Ergebnisse unserer Simulation beim Kunden präsentiert und den Auftrag zum Bau des Ventils erhalten. Wir sind so zuversichtlich, dass die neue Konfiguration funktionieren wird, dass wir auf den Bau von Prototypen völlig verzichten. Diese Anwendung ist ein sehr gutes Beispiel dafür, wie CFD-Software der neusten Generation mit ihrer einfachen Anwendung kleinen und mittelgroßen Herstellern dabei hilft, die Entwicklungszeit von Produkten, die von Flüssigkeit durchströmt werden, dramatisch zu verkürzen."

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